离子液体中木质纤维素的氨基化及其CO2可逆吸附性能研究

针对固体有机碱CO2吸附材料的设计与合成中存在的问题，本项目构思利用离子液体平台，依据木质纤维素多活性羟基官能团的特点，以松树基木质纤维素为模型原材料，重点探索在离子液体中，一锅法实现以高碘酸盐为氧化剂的木质纤维素氧化及氧化产物木质纤维素双醛与聚撑乙烯亚胺的反应、羟基引发的环氮乙烷的链开环聚合反应行为，新型氨基化的木质纤维素材料的制备。研究基于氨基化木质纤维素多孔材料的制备方法与结构特点及其 CO2的可逆吸附性能。通过对过程中的基本化学问题进行研究和探讨，阐明离子液体中木质纤维素材料的新的化学改性行为、建立对木质纤维素材料具有普适性的氨基功能化的方法。通过系统的研究多氨基化木质纤维素的合成方法，对于发展高效的、新型的生物基CO2吸附材料以及生物质高效利用新方法具有重要的科学意义和应用前景。此项目研究内容，集可再生资源高效利用、绿色化学技术与CO2减排于一体，符合"低碳经济"发展思路。

在项目支持下，以离子液体中木质纤维素的氨基化及CO2可逆吸附性能研究项目计划书为基础，对研究的关键科学问题进行分解，主要为木质纤维素、纤维素在离子液体中的溶解及后续氨基化结构调控规律，揭示材料氨基-羟基活化CO2与利用规律。经过3年的研究取得如下几点重要进展：（1）发展了离子液体1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸离子液体与传统低成本有机溶剂如DMSO,NMP等组成的混合低成本有机电解质体系溶解木质纤维素的方法，离子液体含量为20 mol%时，在1小时，140 oC, 能完全溶解10 wt%的木质纤维素材料，溶解再生过程中实现了纤维素、半纤维素活化及木质素萃取分离（60 wt%）；（2）基于有机碱存在下，纤维上羟基或醇羟基与CO2反应生成碳酸盐的机理，提出了捕获CO2用于纤维素溶解加工的新概念，开发了一条新的纤维素溶解技术，在CO2 压力为0.2 MPa, 50 oC，1小时内可以溶解10 wt%的纤维素，为纤维素均相利用提供了一个新的溶剂体系，为纤维素新溶剂的开发提供了新的思路；（3）基于分离到的木质素上羟基及亲核试剂I负离子或季铵盐离子协同作用，可以有效催化环氧化合物与CO2反应制备环状碳酸酯，进一步验证了基于木质纤维素材料羟基与氨基协同作用活化CO2,从而实现其吸附与转化的研究思路；（4）离子液体中，通过纤维素苯磺酰化，再进一步亲核取代反应，合成了不同取代度的四甲基胍纤维素材料，研究发现其原位吸附与催化转化CO2与环氧化合物反应的效率较低，但是我们可以应用在生物相容性纳米粒子的相转移及绿色催化领域，拓展了氨基化纤维素在生物医用上的应用；（5）以纤维素为模型木质纤维素材料，通过氯化纤维素中间产物，合成了一系列氨基化、季铵盐化纤维素，对其结构进行了确定。